测量超精密花岗石空气主轴径向回转精度的测量方法关节轴承

2022-08-10 03:03

测量超精密花岗石空气主轴径向回转精度的测量方法

测量超精密花岗石空气主轴径向回转精度的测量方法 2011年12月02日 来源: 超精密空气主轴(以下简称主轴)可用作超精密加工机床或高精度计量仪器的主轴系统。主轴采用先进的气体静压技术,径向轴承和双向止推轴承的各工作面均为静压气浮面,且经过严格的动平衡,因而实现了非接触的高精度回转,具有无振动、低噪音的特点。  由于气膜对轴系零件加工误差的平均作用,因而轴系装配后的回转精度可以高于零件精度。对主轴主要技术指标——主轴径向回转精度要求达到小于0.1μm。这样高精度的指标,即使加工出来了,也难以测量出它的精度,因而给测量带来了极大的困难。通过几年的摸索、研究,终于用双向转位法测出了主轴径向回转精度(0.07μm)。现将测量方法介绍给读者。 1 检测

1.1 检测条件环境温度:20±1℃ 每小时变化:<0.1℃  相对湿度:30%~60%  被测主轴在恒温室内定温时间不少于24h;  被测主轴与标准器具的温差不大于0.2℃;  被测主轴需安置在隔振基础上,周围无剧烈振动和冲击;供气压力稳定在0.4±0.02MPaq

1.2 检测用仪器和器具  ① TESA电感测微仪(瑞士)(分辨率0.01μm),  ② 标准玻璃球不圆度≤0.05μm(英国圆度仪附件)

1.3 检测方法  采用双向测量法,测量装置如图1所示。

图1 测量装置

将标准玻璃球作为测量工具,通过可调偏心并能转位工装,固定安装在主轴上。电感测微仪测头从主轴回转轴线垂直方向对准球,并垂直于球面,调整球与轴系回转轴线基本同心。其偏心量越小越好,一般在0.5μm左右。第一步,测头从零度方向开始测量,均匀旋转主轴,从零开始每间隔10°,θi=0°,10°,20°~350°。读出电感测微仪读数,测量3~5圈,取平均值X1(θi)为反向前读数,然后轴系不动,球与测头各自相对于轴系转动180°,即进行了反向,反向后球的偏心会有变化,重新调整偏心后测量3~5圈,取平均值为反向后读数X2(θi)。第二步,从90°方向开始测量,重复上述测量步骤,测量过程如图2所示。得Yi(θi)为反向前读数,然后轴系不动,球与测头各自相对于轴系转动180°,即从90°转到270°。得Y2(θi)为反向后读数。

图2 测量过程

2 数据处理

2.1 反向前、后读数相减除2

得到的测量数据是消除了球不圆度影响的轴系误差。

2.2 消除常数项和偏心  残差:

一次富里哀级数系数:

将计算结果展成富里哀级数:

标准球安装偏心所造成的是一次谐波分量,去除零次和一次谐波得主轴各点的回转误差。

ΔVxi=Vxi-[axjcos(θi)+bxjsin(θi)]ΔVyi=Vyi-[ayjcos(θi)+byjsin(θi)]

2.3 X、Y向轴系误差合成

以ΔVimax为最大回转误差。

3 测量精度分析

3.1 用双向测量法保留轴系一次直线谐和运动的消偏  轴系回转时,由于振动等动态因素或轴系的结构因素所造成的响应,其中有一次谐波的成份,这是轴系误差运动的组成部分,对轴系使用时的精度和性能是有影响的,因而是不该消除的,要区分不同性质的一次谐波,就得用双向测量法来测量轴系的回转误差,即传感器在间隔90°位置安装,从X与Y两个互相垂直的分量中来观察和判别,而采用单向测量法是无法进行判别的。

3.2 用平均值法减小偶然误差的影响  轴系回转时不可能没有误差,为了减小偶然误差的影响,测量时无论是反向前还是反向后都测3~5圈,然后取平均值。

3.3 用计算消偏法消除测量工具安装偏心所造成的安装误差  在测量轴系回转精度时,既使标准球调整得与轴系回转中心非常同心,但不可避免地还是存在不同心度,不同心度的偏摆被位移传感器接收,混入测量数值中,这是由于装调引起的,不是轴系的误差,必须在数据处理时予以消除,消除的原则是球安装不同心的偏摆量是一次谐波。因此用计算法消除一次谐波成份,也就消除了标准球安装位置不同的影响。

3.4 应用误差分离技术、EST、消除标准球不圆度的影响  在测量轴系的径向误差时,使用的是标准玻璃球作为工具球,因此测量数据中包含了工具球的不圆度,如果工具球的不圆度为轴系径向误差的三分之一以下,那么工具球的不圆度影响就可忽略不计。但是由于轴系回转精度的提高,已达到和标准球不圆度的数据相同甚至更高,很难制成精度更高的标准球。解决办法是采用误差分离技术,用适当的测量方法和数据处理方法,在测量数据中分离出消除工具球不圆度影响后的轴系径向误差。同时也可分离出消除轴系径向误差(主要是系统误差成份)影响的工具球不圆度。如果分离出的球不圆度和其它测量结果(如:圆度仪测量)基本相符,说明测量设备和测量方法是正确的、可靠的。按同样的测量原始数据分离出的轴系径向误差也是准确的。反之,就可以发现疑问,查找问题。我们从测量主轴的实例中可以看出,分离出的球的不圆度为0.057μm,和圆度仪测量的球不圆度0.05μm,基本相符,可以说我们的测量方法是正确可靠的,其轴系径向误差也是准确的。

4 测量结果

测量结果见图3。经过多次测量,主轴径向回转精度为0.07μm。

图3 测量结果

5 注意事项

① 调整标准球与轴系回转轴线同心时。偏心量不能太大,以免使用测头的移动量增大,造成测量仪器的使用范围过大而增大仪器误差。我们做过实验,当偏心量调到3~1.5μm时,测得轴系回转精度为0.25μm。当偏心量调到1.5~1μm时,测得轴系回转精度为0.17μm。  当偏心量调到1~0.5μm时,测得轴系回转精度为0.07μm。所以对于高精度轴系的测试,偏心量要调到0.5μm。  ② 测力不能过大,避免测力对工件的影响和测量头伸缩时的机械惰性的影响。  ③ 主轴转动一定要均匀,每圈的采样位置要重合

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